KR101853312B1 - 이산화탄소와 석탄을 이용한 일산화탄소 제조용 반응시스템 - Google Patents

이산화탄소와 석탄을 이용한 일산화탄소 제조용 반응시스템 Download PDF

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Abstract

이산화탄소와 석탄을 이용한 일산화탄소 제조용 반응시스템이 개시되어 있다. 본 발명은 이산화탄소를 공급하기 위한 이산화탄소 공급부; 상기 이산화탄소 공급부와 제 1유동라인에 의해 연결되며, 이산화탄소와 석탄 및 촉매 혼합물을 반응시키는 반응기; 상기 반응기의 상부에 연결되어 석탄 및 촉매 혼합물을 공급하기 위한 혼합물 공급부; 상기 반응기 내부의 반응을 통해 생성된 일산화탄소 가스를 배출하기 위한 일산화탄소 배출부; 및 상기 반응기의 내부에 충진되어 상기 이산화탄소와 석탄 및 촉매 혼합물의 반응성을 증대시키기 위한 모래;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이산화탄소와 석탄을 이용한 일산화탄소 제조용 반응시스템{SYNTHESIS REACTOR OF PRODUCING CARBON MONOOXIDE WITH USING CARBON DIOXIDE AND COAL}
본 발명은 이산화탄소와 석탄을 이용한 일산화탄소 제조용 반응시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이산화탄소를 가스화제로 사용하여 탄소와 이산화탄소의 반응에 의한 일산화탄소의 생성을 증대시켜서 온실가스인 이산화탄소를 줄일 수 잇으며, 반응 온도를 낮춰주고 반응 활성도를 높여주는 활성화 촉매들을 사용하여 CO2의 전환반응을 촉진시킬 수 있도록 한 이산화탄소와 석탄을 이용한 일산화탄소 제조용 반응시스템에 관한 것이다.
에너지는 현대 사회에서 없어서는 안 될 필수자원이다. 산업혁명 이후 인류는 화석연료를 사용하면서 산업화를 이루어 왔고, 그에 따라 물질적으로도 풍족해졌다. 하지만 최근 전 세계는 폭발적인 인구증가에 따른 에너지 사용량의 증가와 화석연료의 사용으로 인한 석유 자원의 고갈, 그리고 지구 환경 오염이라는 문제에 직면해 있다. 전 세계에 널리 매장되어 있는 천연가스는 석유의 고갈에 직면해 있는 인류에게는 대체에너지로서의 이용가치가 충분하다고 할 수 있다. 이에 여러 연구자들은 천연가스를 보다 효용가치가 높은 물질로 전환하고자 개질 반응을 이용한 합성가스 제조 기술에 대한 연구를 진행하고 있다.
개질 반응에 의해 제조된 합성가스는 연료전지용 친환경 수소 에너지로서 또한 메탄올, 암모니아, 탄화수소 등의 중요한 석유 화학제품의 원료들로 사용된다. 합성가스 CO는 새로운 산업용 소재로 높은 기계적 강도와 기능성, 자동차 부품 및 전기전자 부품으로 첨단 섬유소제인 폴리케톤 수지의 원료로 사용된다. 폴리케톤은 열과 마찰, 충격, 화학물질 등에 견디는 능력이 좋아 금속을 대체하는 공업용 플라스틱 소재로 쓰인다. 특히 플라스틱 나일론과 비교해 충격에는 2배, 마찰에는 최고 14배 뛰어나 자동차와 전자부품 등 산업용 소재로 쓰일 것으로 예상된다. 또한 Fischer-Tropsch 공정을 통한 가솔린 제조, fuel cells 등 상업적인 연료분야의 원료와 메탄올 합성공정의 원료로서 중요한 위치를 차지하고 있다.
그러나, 현재 관련기술에 따르면, 이산화탄소를 가스화제로 사용하여 이산화탄소 합성가스를 생산하는 반응시스템의 효율성이 매우 낮고 그 전환율도 현저히 낮은 문제점이 있다.
따라서, 이산화탄소의 일산화탄소로의 전환반응을 촉진시켜 효율을 크게 향상시킬 수 있는 반응기에 대한 연구가 지속적으로 있어 왔다.
1. 대한민국 등록특허 제10-1377245호(2014.03.14) 2. 대한민국 등록특허 제10-1178831호(2012.08.27)
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 반응 온도를 낮춰주고 반응 활성도를 높여주는 활성화 촉매들을 사용하여 CO2의 전환반응을 촉진시킬 수 있도록 한 이산화탄소와 석탄을 이용한 일산화탄소 제조용 반응시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 석탄의 종류, 촉매와 혼합 조성, 승온 속도 및 반응온도, CO2 유속을 변화시키면서 CO를 효율적으로 생산할 수 있도록 한 이산화탄소와 석탄을 이용한 일산화탄소 제조용 반응시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이산화탄소와 석탄을 이용한 일산화탄소 제조용 반응시스템은,
이산화탄소를 공급하기 위한 이산화탄소 공급부; 상기 이산화탄소 공급부와 제 1유동라인에 의해 연결되며, 이산화탄소와 석탄 및 촉매 혼합물을 반응시키는 반응기; 상기 반응기의 상부에 연결되어 석탄 및 촉매 혼합물을 공급하기 위한 혼합물 공급부; 상기 반응기 내부의 반응을 통해 생성된 일산화탄소 가스를 배출하기 위한 일산화탄소 배출부; 및 상기 반응기의 내부에 충진되어 상기 이산화탄소와 석탄 및 촉매 혼합물의 반응성을 증대시키기 위한 모래;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1유동라인에는 보조가열자켓이 설치되어 있어서, CO2 가스의 원활한 공급을 유지할 수 있으며, 반응기에 유입되는 CO2 가스의 온도를 높일 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 반응기는,
그 외부를 둘러싸서 반응기를 가열시키는 메인 가열자켓; 상기 반응기의 상부로부터 하부까지 각 위치별로 온도를 측정하기 위하여 설치되는 다수의 써모커플; 상기 반응기 하부의 내부에 설치되어 반응 후 침전물을 여과하기 위한 필터; 상기 반응기의 상부 일측에 형성된 모래주입구; 및 상기 반응기의 하부 일측에 형성된 모래배출구;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합물 공급부는,
석탄과 촉매를 혼합시키는 믹서기; 상기 믹서기에서 혼합된 혼합물을 공급하기 위한 피더;및 상기 피더를 구동하기 위한 모터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 촉매는 활성화 촉매로서, KOH, K2CO3, Na2CO3, 또는 NaOH를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 이산화탄소를 가스화제로 사용하여 탄소와 이산화탄소의 반응에 의한 일산화탄소의 생성을 증대시켜서 온실가스인 이산화탄소를 줄일 수 있고, 동시에 청정연료인 일산화탄소 합성가스를 생산할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 반응 온도를 낮춰주고 반응 활성도를 높여주는 활성화 촉매들을 사용하여 CO2의 전환반응을 촉진시켜서 효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 석탄의 종류, 촉매와 혼합 조성, 승온 속도 및 반응온도, CO2 유속을 변화시키면서 CO를 효율적으로 생산할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소와 석탄을 이용한 일산화탄소 제조용 반응시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이산화탄소와 석탄을 이용한 일산화탄소 제조용 반응시스템에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소와 석탄을 이용한 일산화탄소 제조용 반응시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반응시스템은, 크게 이산화탄소 공급부(20), 상기 이산화탄소 공급부(20)와 제 1유동라인(21)에 의해 연결된 반응기(4), 상기 반응기(4)의 상부에 연결되어 석탄 및 촉매 혼합물을 공급하기 위한 혼합물 공급부(30), 상기 반응기(4) 내부의 반응을 통해 생성된 일산화탄소 가스를 배출하기 위한 일산화탄소 배출부(15)를 포함한다.
상기 이산화탄소 공급부(20)는 그 내부에 99.95%의 CO2 가스를 충진하고 있으며, 50∼500cc/min의 유속으로 CO2 가스를 공급하고 있다.
이때, 가스의 역류를 방지하기 위하여, 상기 제 1유동라인(21)에 역류방지밸브(1)가 설치되고, 공급되는 유량을 조절하기 위하여 유량조절기(2)가 설치되어 있다.
또한, 상기 제 1유동라인(21)에는 보조가열자켓(23)이 설치되어 있어서, CO2 가스의 원활한 공급을 유지할 수 있으며, 반응기(4)에 유입되는 CO2 가스의 온도를 높일 수 있도록 한다. 반응기(4)에 유입되는 CO2 가스의 온도가 높으면, 반응기 내부에서 반응을 신속하게 일으킬 수 있는 것이다.
상기 제 1유동라인(21)은 상기 반응기(4)의 하부에 연결되어 있어서, CO2 가스가 반응기(4)의 하부로부터 상부로 이동하면서 반응을 일으킬 수 있는 것이다.
상기 반응기(4)는 외부에 메인 가열자켓(25)이 둘러싸고 있고, 소정의 위치에 다수의 써모커플(6)이 설치되어 있다. 상기 써모커플(6)은 상기 반응기(4) 내부의 온도를 측정하는 것으로서, 반응기(4)의 상부로부터 하부까지 각 위치의 온도를 측정하기 위하여 상하로 여러개가 설치될 수 있다.
상기 반응기(4)의 상부에는 상기 혼합물공급부(30)이 설치되고, 반응기의 하부에는 드레인배출부(8)가 설치되어 있다. 상기 드레인배출부(8)에 인접한 상기 반응기(4) 하부의 내부에는 반응 후 침전물을 여과하기 위한 필터(7)가 설치되어 있다. 상기 반응 후 침전물을 상기 필터(7)를 통해서 주기적으로 제거해주어야만 한다.
또한, 상기 반응기(4)의 내부에는 모래(16)가 충진되어 있어서, 유동층 반응기가 일정온도 이상 가열되면 유동화 매체인 모래(16)가 움직이면서 석탄 및 촉매 혼합물과 CO2 가스와의 반응성을 크게 증대시킬 수 있는 것이다.
유동화 매체인 모래(16)의 지속적인 공급과 반응 후의 제거를 위해서, 상기 반응기(4)의 상부 일측에는 모래주입구(17)가 형성되어 있고, 상기 반응기(4)의 하부 일측에는 모래배출구(18)가 형성되어 있다.
상기 유동화 매체인 모래(16)는 항상 일정한 충진량을 유지할 수 있도록 균일하게 공급해주고 제거해줘야 한다.
또한 반응기(4)의 상부 일측에는 반응기 내부의 압력을 체크하기 위한 압력계(3)이 설치된다.
상기 반응기(4)의 상부에 설치되는 혼합물 공급부(30)는 석탄과 촉매를 혼합시키는 믹서기(10), 상기 믹서기(10)에서 혼합된 혼합물을 공급하기 위한 피더(11) 및 상기 피더(11)를 구동하기 위한 모터(12)를 포함한다.
상기 믹서기(10)에는 석탄과 촉매가 중량비로 4:1의 비율로 분쇄되어 혼합될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 상기 석탄은 200 mesh로 채를 쳐서 입도를 약 74 ㎛로 균일하게 하여 촉매와 혼합된 형태로 공급한다.
상기 촉매는 활성화 촉매로서, KOH(potassium hydroxide 98%, SAMCHUN), K2CO3(potassium carbonate, anhydrous 99.5%, SAMCHUN), Na2CO3(sodium carbonate decahydrate 99.0%, JUNSEI), 또는 NaOH를 사용할 수 있다.
본 발명에서는 입도 조절된 석탄과 촉매의 물리적 혼합으로 제조된 시료를 고정시키고 열분해 과정과 이산화탄소 가스화 반응 2단계로 나누어 연속공정을 실시한다.
상기 모터(12)의 구동을 통해서 피더(11)가 작동함으로써, 상기 석탄 및 촉매 혼합물을 적정하게 반응기(4)로 공급할 수 있는 것이다.
상기 반응기(4)의 내부에서는, 상온에서 초종온도 800℃까지 15℃/min로 승온시키고, 최종온도에서 완전한 반응상태라고 판단되는 반응시작 10분 후에 이산화탄소를 공급하여 이산화탄소 가스화 연속반응을 진행하게 된다.
반응온도는 CO2 전환율과 CO 선택도가 가장 우수한 800∼950℃ 범위 내에서 실시한다.
이와 같이, 반응기 내부에서 CO2 가스와 석탄 및 촉매 혼합물과 반응하여 생성된 CO가스는 일산화탄소 배출부(15)를 통해 배출되고, 반응 후 침전물은 모래(16)와 필터(7)를 통과해서 침전물 수집통(9)으로 수집되게 된다.
이때, 상기 일산화탄소 배출부(15)의 일측에는 CO 가스의 수율을 체크하기 위한 가스크로마토그래피(13)이 설치될 수 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지에 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있으며 이는 본 발명의 구성에 포함됨을 밝혀둔다.
1: 역류방지밸브 2: 유량조절기
3: 압력계 4: 반응기
5: 메인 가열자켓 6: 써모커플
7: 필터 8: 드레인 배출부
9: 침전물 수집통 10: 믹서기
11: 피더 12: 모터
13: 가스크로마토그래피 15: 일산화탄소 배출부
16: 모래 17: 모래주입구
18: 모래배출구 20: 이산화탄소 공급부
21: 제 1유동라인 23: 보조 가열자켓
25: 메인 가열자켓

Claims (5)

  1. 이산화탄소를 공급하기 위한 이산화탄소 공급부;
    상기 이산화탄소 공급부와 제 1유동라인에 의해 연결되며, 이산화탄소와 석탄 및 촉매 혼합물을 반응시키는 반응기;
    상기 반응기의 상부에 연결되어 석탄 및 촉매 혼합물을 공급하기 위한 혼합물 공급부;
    상기 반응기 내부의 반응을 통해 생성된 일산화탄소 가스를 배출하기 위한 일산화탄소 배출부; 및
    상기 반응기의 내부에 충진되어 상기 이산화탄소와 석탄 및 촉매 혼합물의 반응성을 증대시키기 위한 모래;를 포함하며,
    상기 제 1유동라인에는 보조가열자켓이 설치되어 있어서, CO2 가스의 원활한 공급을 유지할 수 있으며, 반응기에 유입되는 CO2 가스의 온도를 높일 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소와 석탄을 이용한 일산화탄소 제조용 반응시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 반응기는,
    그 외부를 둘러싸서 반응기를 가열시키는 메인 가열자켓;
    상기 반응기의 상부로부터 하부까지 각 위치별로 온도를 측정하기 위하여 설치되는 다수의 써모커플;
    상기 반응기 하부의 내부에 설치되어 반응 후 침전물을 여과하기 위한 필터;
    상기 반응기의 상부 일측에 형성된 모래주입구; 및
    상기 반응기의 하부 일측에 형성된 모래배출구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소와 석탄을 이용한 일산화탄소 제조용 반응시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합물 공급부는,
    석탄과 촉매를 혼합시키는 믹서기;
    상기 믹서기에서 혼합된 혼합물을 공급하기 위한 피더;및
    상기 피더를 구동하기 위한 모터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소와 석탄을 이용한 일산화탄소 제조용 반응시스템.
  5. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매는 활성화 촉매로서, KOH, K2CO3, Na2CO3, 또는 NaOH를 사용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소와 석탄을 이용한 일산화탄소 제조용 반응시스템.
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한국유화학회지 제33권 제3호, 466-473쪽 (2016.09.) 1부. *
한국유화학회지 제33권 제3호, 466-473쪽 (2016.09.)*

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KR20180043864A (ko) 2018-05-02

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